惯性测量方法的一个不可避免的问题是，波形被高通滤波过程所失真，以稳定加速度的双重积分。 通过结合惯性测量方法和中弦偏移方法的特点，设计了一种解决此问题的方法。 我们称其为“惯性中弦偏移方法”。 通过使用采用新方法的原型轨道检查设备，我们确认了它提供的轨道不规则波形类似于中弦偏移方法所获得的波形。 此外，作为该设备的一部分，我们开发了一种传感器，可同时测量垂直和水平轨道位移。
中弦偏移法是目前由轨道检查车测量垂直和水平轨道位移的主流方法，它使用排列在一条直线上的三个测量轴。中心轴可测量导轨与连接两个端轴的弦杆之间的偏移量。将测量轴设置在中心的系统使车体和起落架复杂化，并增加了检查车的成本。非对称弦偏移方法将减少汽车设计的限制。由于该方法仍使用三个测量轴，因此不会降低检查车的成本。 另一方面，惯性测量方法是基于加速度的双重积分给出位移的原理，它仅使用一个测量轴。因此，检查车的设计是灵活的，并且测量系统可以安装在商用铁路车辆上。这种检查车将以低成本制造。但是，此方法需要测量值的高通滤波过程来稳定双积分，否则可能会使测得的轨迹波形失真。 为此，我们结合惯性和中弦偏移方法的特性来获得无失真的中弦偏移不规则波形，我们将其称为“惯性中弦偏移方法”。本文介绍了新方法的原理，使用该方法对现有的轨道检查车进行测试的结果以及应用该方法的原型测量设备的概况。
图1显示了惯性中弦偏移方法的基本组成，与常规惯性方法的基本组成没有太大区别，只是波形处理单元1的特征是“积分和中弦偏移合成计算” 。 图2显示了积分和中弦偏移合成计算的原理，其中图2（a）显示了加速度的双重积分的频率特性函数。当频率为0时，此函数的增益是无限的，这使得双积分不稳定。图2（b）显示了以10m弦长为例的中弦偏移方法的检查特性函数。表示中弦偏移方法的检查特性的功能在低频范围内以等于该范围内两次积分的增加率的速率衰减。因此，如果通过结合这两个功能的图2（c）中的函数来处理加速度，则即使频率为0时，增益也将是一个有限值。这确保了稳定的计算并输出了中弦偏移波形通常用于轨道检查。 图2（c）中的复合特征函数由以下方程式表示。
$G_{2}(s) \cdot G_{1}(s)=\frac{1}{s^{2}}\left[\exp \left(-\frac{s}{2 \omega_{1}}\right)-\frac{1}{2}\left\{1-\exp \left(-\frac{s}{\omega_{1}}\right)\right\}\right.$
图4示出了当运行速度恒定时该处理方法的空间频率特性函数。 如上所述，由于积分处理部分的特征功能是模拟低通滤波器类型，因此该方法可抑制A / D转换中的错误，并在中弦偏移补偿过程中以高精度执行数字滤波。 方法。 该数字滤波器还具有补偿模拟电路中发生的相位延迟的特性。 在这种结构中，可以通过仅改变模拟滤波器的频率特性来针对运行速度的变化来调整积分特性。 因此，数字滤波器的特性与运行速度无关。
为了验证是否可以通过惯性中弦偏移法测量轨道不平顺，我们使用当前的**轨道检查车（MAYA34型）**进行了运行测试。我们在轨道检查车上安装了一个加速度计，将电路和陀螺仪集成在一起，并通过常规中弦偏移方法和惯性中弦偏移方法从汽车的转换输出中同时测量了车身与轨道之间的位移。 。
图5（a）显示了通过惯性中弦偏移方法测量的轨道不平整，图5（b）显示了在本次测试中通过常规中弦偏移方法同时测量的轨道不平整波形。尽管由于测量装置精度的限制，对准不规则性的测量波形包含一些噪声，但是图3和图4中的波形是不精确的。图5（a）和（b）彼此大致相同。因此，通过该测试证明，惯性中弦偏移方法是一种有前途的低成本轨道不平整检查方法，因为它可以为实际目的以足够高的精度测量轨道不平整。 作为有利的特征，该方法正确地输出中弦偏移不规则。这是控制弯道中的轨迹轮廓的重要信息，而常规惯性方法通常无法获得这些信息。该方法的另一个特征是，在引入基于该方法的轨道检查系统时，不需要对现有的轨道维护过程或中弦偏移不规则波形的维护目标值进行任何更改。在这方面，它也是一种很有前途的轨道检查方法。
4.使用惯性中弦偏移法试制轨道检查装置
4.1设备的组成 根据测试结果，我们制造了一种使用惯性中弦偏移方法的原型轨道检查设备，该设备可以安装在商用有轨车辆上。图6显示了该设备的图像。最有特色的组件之一是图7中的传感器单元，它将直接固定在轨道框架上。由于未在轴箱上安装重型部件，因此该系统不会对轿厢的行驶性能产生不利影响，并且允许将其安装在商用铁路车辆上。该单元容纳所有传感器，否则将它们安装在车身和卡车上，以最大程度地减少传感器的数量并简化维护工作。陀螺仪安装在加速度计附近，用于测量横档的不平整度并补偿加速度计的倾斜度。与惯性方法相比，惯性方法在低速范围内的精度不高，由于加速度计的倾斜度的补偿，该方法将确保实用的高精度，直至大约15 km / h的速度。 4.2开发两轴轨道位移传感器 传感器单元中最具特色的组件之一是新开发的光学两轴导轨位移传感器，该传感器紧凑，轻便，测量范围广，并且可以低成本制造。图8显示了其机制。它使用市场上的激光位移传感器，通过由伺服电机驱动的反射镜跟踪轨道头和侧面的运动来检测位移。激光位移传感器的输出和反射镜的角度根据三角测量原理给出了垂直和水平方向的导轨位移（见图9）。如果导轨和激光位移传感器的相对位置发生变化，则位移传感器的输出也会发生变化，从而破坏由导轨和反射镜组成的三角形。在这种情况下，镜面角度会发生变化以跟踪轨道，直到三角形闭合为止。该控制还可以通过用于市场上工厂自动机的平板计算机来执行，以降低系统成本。 为了确认两轴轨道位移传感器的精度，我们在铁路技术研究所的测试轨道上测量了轨距（见图10）。图11显示了道岔通过测试的结果。这些测试中的最大测量误差为0.5 mm（舌轨尖端部分除外）。 该传感器具有一种算法，当通过道岔交叉口的空隙部分时，横向位移的输出等于或大于50 mm时，应搜索应靠近原点的轨道。当它进入特别是从机头尖端侧穿过的岔道时，它会在抓住机翼鼻梁之前先跟踪机翼横梁一段时间。因此，最长持续时间为2.5秒，直到传感器正确跟踪前鼻梁。当轨道检查设备高速运行时，传感器可能会在此过渡段处跳跃，而输出会暂时中断。但是，需要在低速运行中针对这种现象提高传感器的精度。因此，在改进系统后，我们将确认传感器的高速响应。 4.3原型设备进行的数据处理4.3原型设备进行的数据处理 图12显示了原型设备进行的数据处理流程。为了最大程度地减少从车载处理设备传输到地面的垂直和横向位移数据量，我们传输了轨道中心线不规则性的中间数据。除比例因子外，轨道和横坡不规则的中间数据波形与常规轨道检查车所获得的相同。通过对汽车的计算，可以从中间数据中消除汽车运动的影响。因此，除了误差之外，从相同的轨道部分获得相同的波形。 地面上的处理单元执行数字滤波，以从四组中间数据中计算出左右导轨的垂直和横向位移，并确定扭曲。该过程使用个人计算机软件来降低整个检查系统的成本。 也可以组成一个轨道检查车来执行图12所示的所有处理。图13是使用该系统将电气和信号检查系统结合在一起的综合检查柴油车的图像。
5.结论 使用惯性中弦偏移法的原型检查设备现在正在运行测试中。 通过该测试，我们将确认低速和高速范围内的检查精度，并阐明其在实际使用中的性能。 与东日本铁路公司合作，对当前的轨道检查车进行了验证测试。 我们要对那些在本研究中提供合作的人表示由衷的感谢。
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